ИДЕАЛЬНЫЙ ДИАМАГНЕТИЗМ

В 1933 г. было обнаружено, что при температурах Т <ТС магнитный поток выталкивается из образца (рис. 6.2). Таким образом, было установлено, что в сверхпроводящем состоянии образцы становятся идеальными диамагнетиками, в которых магнитная индукция В = 0. Это явление получило название эффекта Мейсснера-Оксенфельда.

Полученный результат не является просто следствием исчезновения сопротивления, хотя в идеальном проводнике (р = 0) при определенных условиях может возникнуть подобный эффект.

Действительно, из закона Ома E = p j следует, что при конечном значении плотности тока j и р -» 0 электрическое поле в образце должно быть равно нулю. При этом условии, как видно из уравнения Максвелла,

должно быть I, т. е. магнитная индукция в образце

должна оставаться такой, какой была до перехода в состояние с р = 0 (В = const). Таким образом, магнитное состояние идеального проводника при Т < Тс, Н > 0 зависит от его предыстории.

Рис. 6.2

Выталкивание магнитного потока из сверхпроводящего образца

Рис. 6.3

Зависимость магнитного состояния идеального проводника при Т < Тс, Н > 0 от предыстории:

а — идеальный проводник в магнитном поле при Т <Тс — то же, но при Т > Тс.

Пусть в исходном состоянии идеальный проводник охлажден ниже критической температуры, и внешнее магнитное поле отсутствует. Внесем такой идеальный проводник во внешнее магнитное поле. На его поверхности сразу возникает ток, создающий по правилу Ленца собственное магнитное поле, направленное навстречу приложенному, и полное поле в образце будет равно нулю (рис. 6.3а). Поскольку до внесения образца в поле В = 0, а В = const, то ясно, что В = 0 и после внесения в поле. Однако того же состояния (идеальной проводимости при Т <ТС во внешнем магнитном поле) можно достигнуть и другим путем: сначала наложить внешнее поле на образец, а затем охладить его до температуры Т < Тс.

Для большинства металлов (кроме ферромагнетиков) относительная магнитная проницаемость очень мало отличается от единицы, поэтому магнитная индукция внутри образца фактически равна магнитной индукции приложенного магнитного поля. После охлаждения ниже критической температуры это поле останется в образце (рис. 6.3б).

Мейсснер и Оксенфельд обнаружили, что при Т <ТС поле в сверхпроводнике всегда равно нулю, независимо от пути перехода к условию Т < Тс при наличии внешнего магнитного поля. Следует отметить, что магнитное поле не может быть вытолкнуто из всего объема сверхпроводника вплоть до самой поверхности, так как это означало бы, что здесь оно скачет от величины В до нуля. Для этого необходимо иметь на поверхности образца бесконечную плотность тока, что, естественно, невозможно. Следовательно, магнитное поле немного проникает в сверхпроводник, спадая от величины В на самой поверхности практически до нуля в тонком приповерхностном слое толщиной X. Именно в этом слое текут незатухающие экранирующие токи. Величина X называется глубиной проникновения и имеет обычно порядок 10“3-10 6 см.

Следует обратить внимание, что эффект Мейсснера- Оксенфельда — это принципиально новое явление, которое не описывается в классической электродинамике. Условие 5 = 0 физически означает, что по поверхности сверхпроводящего образца начинает течь незатухающий ток. Ток проводимости в электродинамике определяется сторонними силами (химические источники тока, источники ЭДС, ЭДС-индукции и т. д.). В эффекте Мейсснера-Оксен- фельда сторонние силы отсутствуют. Поэтому возникновение упорядоченного движения электронов из хаотического при этом эффекте можно рассматривать как пример самоорганизации. Возникающий в сверхпроводниках ток нельзя отождествлять с током проводимости, и поэтому его следует называть мейсснеровским током.

Таким образом, сверхпроводники — это нечто большее, чем идеальные проводники. Кроме нулевого сопротивления они обладают еще одним фундаментальным свойством — идеальным диамагнетизмом, т. е. сверхпроводящее состояние удовлетворяет следующим уравнениям:

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >